特殊等離子體環(huán)境物理信息獲取與處理的研究.pdf

1、隨著工業(yè)和電子技術(shù)的進步，等離子體概念的范疇也在不斷擴大，從早期的氣體放電逐步擴展到當今社會的方方面面。在航空航天領(lǐng)域，隨著“神七”上天和大飛機項目上馬，人們發(fā)現(xiàn)了很多急待解決的工程問題，如飛船再入過程中的通訊中斷，目標識別，降低運動物體的雷達散射截面等。這樣，超聲速飛行器在大氣層飛行中產(chǎn)生的激波，火箭發(fā)動機燃料中摻有的銫、鉀、鈉等易電離成分所形成的噴流，宇宙飛船再入階段的表面燒蝕等特殊等離子體環(huán)境的物理信息獲取與處理的研究就受到越來越

2、多的重視。美俄等國已經(jīng)在這一領(lǐng)域進行了充分的實驗積累，而國內(nèi)由于缺乏相應(yīng)的實驗技術(shù)和環(huán)境，該工作尚處在起步階段。在能源領(lǐng)域，人們借助托卡馬克中產(chǎn)生的高溫等離子體進行可控熱核聚變的研究，可以解決傳統(tǒng)的化學燃料效率低和污染重的問題，為人類尋找新的清潔能源。上述等離子體往往處在具有高溫、高壓和高流速等特殊環(huán)境中，它們的密度和存在時間跨度很大(密度從109到1013cm-3，存在時間從1ms到幾十分鐘)，因此其性質(zhì)與傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)等離子體有較大差異

3、。 為了獲取這些特殊等離子體環(huán)境下的物理信息，探討它們與載體的相互關(guān)系，更好的將其應(yīng)用到航空航天、能源等領(lǐng)域中，本文根據(jù)相關(guān)課題的要求，在模擬各種空間環(huán)境的地面實驗裝置上，依照特殊等離子體環(huán)境的特點，設(shè)計并自主研發(fā)了對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與處理平臺，包括數(shù)據(jù)采集、結(jié)果的在線分析和存儲等，配備了相應(yīng)的軟硬件系統(tǒng)。實驗中本文嘗試采用多種手段獲取同一等離子體參數(shù)，獨立的比較各種方法所得結(jié)果之間的差異，盡可能的還原出真實的物理信息。本文還對等離

4、子體數(shù)據(jù)處理進行了深入的研究，借助各種物理數(shù)學模型和專用的科學計算工具，離線求解出相應(yīng)的等離子體參數(shù)，如電子溫度、電子密度，電子碰撞頻率等。 本論文的主要內(nèi)容如下： 1.根據(jù)課題研究和測試環(huán)境的需求，本文建立了相應(yīng)的等離子體數(shù)據(jù)獲取平臺，包括靜電探針集成診斷系統(tǒng)、十路探針陣列診斷系統(tǒng)和多路光纖光譜儀，并對每種采集系統(tǒng)都進行了標定與測試。 2.在項目預研階段，為了驗證數(shù)據(jù)獲取與處理方法的可行性和可靠性，本文在直流輝

5、光穩(wěn)態(tài)裝置上，結(jié)合靜電探針與發(fā)射光譜方法，分別獲得了輝光正柱區(qū)的電子溫度與電子密度，對兩種方法的特點進行了比對，并在后續(xù)特殊等離子體環(huán)境數(shù)據(jù)獲取與分析中進行了改進和推廣。 3.本文從實驗上研究了特殊等離子體環(huán)境中靜電探針數(shù)據(jù)獲取和處理方法。文中使用的靜電探針主要是單探針和三探針。特殊等離子體環(huán)境一般具有高溫高壓等特點，普遍存在電磁干擾，所以本文在設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時充分考慮了屏蔽和隔離的問題。在數(shù)據(jù)處理方法上，由于傳統(tǒng)的基于無碰低

6、氣壓假設(shè)的探針理論已經(jīng)失效，本文在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，選擇了Smy和Kiel等人的基于高氣壓強碰撞假設(shè)的探針電流收集理論，在仔細分析特殊等離子體環(huán)境的基礎(chǔ)上加以應(yīng)用，獲得了電子密度和電子溫度等參數(shù)及其時空分布。 4.根據(jù)項目要求，本文分別在飛行環(huán)境地面實驗裝置、固體助推劑成分實驗裝置和粉末激波管上使用靜電探針完成了電子密度、電子溫度和碰撞頻率等參數(shù)的測定。飛行環(huán)境地面實驗要求獲得電子密度在實驗腔體內(nèi)部的分布情況，因此運動探針陣列被

7、用來獲得了噴流等離子體的電子密度和電子溫度的時空分布圖，為推進器的型號篩選和性能改進提供實驗依據(jù)。助推器的燃料成分實驗裝置空間有限，所以單探針被選作診斷方法。在粉末激波管等離子體參數(shù)診斷中，由于來流存在時間短，傳統(tǒng)的單探針掃描的方法已經(jīng)不能使用，所以無需掃描電源的三探針診斷方法被采用，同時高速信號采集技術(shù)被用來獲得了探針的飽和電流，再通過相關(guān)的物理模型計算出該等離子體電子密度和電子溫度的時間分布，并導出碰撞頻率。 5.本文在飛行

8、環(huán)境地面實驗裝置上使用多路光纖光譜儀獲得了氬氣放電的發(fā)射光譜。這里的等離子體電子溫度相對較低，維持導電主要是依靠電子碰撞使氣體電離，因此這種放電形式屬于弱電離、非平衡態(tài)放電，其發(fā)射光譜主要是原子譜線的輻射。這種條件下，由于激發(fā)態(tài)的粒子布居密度偏離Boltzmann分布，所以本文在分析原子發(fā)光的機理基礎(chǔ)上，使用了Fermi-Dirac模型、基于非平衡態(tài)日冕模型、兩種電子激發(fā)碰撞截面模型四種新的模型或方法重新計算電子溫度。并對這幾種方法的計

9、算結(jié)果進行了比對，確認了雙曲函數(shù)模型是在該條件下計算電子激發(fā)溫度的最佳模型。 6.本文將探針和光譜的數(shù)據(jù)處理技術(shù)進行了比對，分析了結(jié)果的一致性與系統(tǒng)誤差，為今后類似的工作提供了借鑒。 7.針對高溫等離子體的軟X射線輻射，本文設(shè)計了一套診斷系統(tǒng)，可以獲得軟X射線的時空分布，以及相應(yīng)的磁流體動力學(MHD)不穩(wěn)定性。該工作包括系統(tǒng)的設(shè)計安裝，電路實現(xiàn)，圖像重建和MHD不穩(wěn)定性的分析等過程。本論文的主要創(chuàng)新之處在于：

10、1.本文設(shè)計的便攜式探針集成診斷平臺，合作設(shè)計的十路探針診斷系統(tǒng)等兩套一體化探針數(shù)據(jù)獲取裝置，已經(jīng)成功應(yīng)用于噴流等離子體、助推劑燃燒和粉末激波管環(huán)境的探針實驗，解決了實驗室原有的分立元件診斷系統(tǒng)存在的集成度低、抗干擾能力差、攜帶不便、對多樣化的復雜實驗場地條件適應(yīng)能力較差等問題。 2.在探針數(shù)據(jù)處理方法上，本文系統(tǒng)總結(jié)了Smy和Kiel等人的基于高氣壓強碰撞假設(shè)的探針電流收集理論，并應(yīng)用于各種特殊等離子體環(huán)境的探針數(shù)據(jù)處理中，獲

11、得了電子密度和電子溫度等參數(shù)及其時空分布，解決了噴流等離子體、助推劑燃燒和粉末激波管環(huán)境的探針數(shù)據(jù)處理無合適的理論依據(jù)的問題。 3.本文系統(tǒng)總結(jié)了Fermi-Dirac模型、基于非平衡態(tài)日冕模型、兩種電子激發(fā)碰撞截面模型等多種基于熱力學非平衡態(tài)的光譜計算模型，解決了飛行等離子體環(huán)境的電子激發(fā)溫度的計算問題。 4.本文是國內(nèi)首次在粉末激波管等離子體試驗中使用三探針診斷和高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)，從實驗上獲取了該等離子體電子密度和電